SSC-LINAC離子源氣閥控制系統(tǒng)設(shè)計

常建軍，劉小軍，顧可偉，岳 敏

（中國科學(xué)院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000）

目前，中國科學(xué)院近代物理研究所擁有超導(dǎo)離子源（SECRAL）、常規(guī)離子源、全永磁ECR 離子源等眾多離子源。在這些既有的離子源基礎(chǔ)上，該所利用蒸發(fā)冷卻技術(shù)，并結(jié)合其他ECR 離子源的最新關(guān)鍵技術(shù)，研制成功了世界上第一臺利用蒸發(fā)冷卻技術(shù)的常溫ECR 離子源LECR4（SSC-LINAC離子源）。

許多元素組成的單質(zhì)在自然界中以氣態(tài)形式存在，使用時一般都將其存放在儲氣瓶中，在調(diào)束時經(jīng)由氣閥送入弧腔，在經(jīng)過微波作用后方可獲得這類元素離子，因此離子源的氣閥是非常關(guān)鍵的工作氣體控制組件。氣閥通常被置于離子源高壓端，且其開度對離子源真空度、電離效率、離子源穩(wěn)定性均有影響，其控制精度、可靠性要求必然很高，因此必須為蒸發(fā)冷卻ECR離子源的氣閥設(shè)計精度高、可靠性好的伺服控制系統(tǒng)；另外為了與整個SSC-LINAC大控制系統(tǒng)一致以及滿足組件調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)的需要，該系統(tǒng)是基于EPICS設(shè)計的。

1 系統(tǒng)設(shè)計

中國科學(xué)院近代物理研究所現(xiàn)有的離子源均采用PLC與伺服電機(jī)實現(xiàn)離子源氣閥開度的控制，但其經(jīng)濟(jì)性較差（對于氣閥控制這種應(yīng)用場合電機(jī)數(shù)量較少），且在實現(xiàn)復(fù)雜功能時，需額外加裝各種I／O 模塊［1］（如通訊模塊、編碼器模塊、I／O 模塊等），這又使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得過于復(fù)雜；PLC 軟件開放性較差，在大系統(tǒng)集成時使得系統(tǒng)集成困難（如基于EPICS的加速器控制系統(tǒng)）；PLC 內(nèi)部系統(tǒng)刷新時間較長使得其響應(yīng)速度較慢。

為了保證SSC-LINAC離子源氣閥控制裝置的高可靠性，提高其控制精度，降低響應(yīng)時間，獲取氣閥開度精準(zhǔn)位置（調(diào)束人員為了調(diào)束方便，需要獲得氣閥開度的絕對值），在進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計時借鑒了高精度機(jī)電控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)［2］為SSC-LINAC離子源氣閥設(shè)計了全數(shù)字伺服系統(tǒng)，該系統(tǒng)很方便地集成到了基于EPICS的SSC-LINAC 大控制系統(tǒng)內(nèi)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SSC-LINAC離子源氣閥控制系統(tǒng)Fig.1 Gas valve control system of SSC-LINAC ion source

該控制系統(tǒng)中作為OPI 的計算機(jī)經(jīng)由LAN 及交換機(jī)與作為IOC 的工業(yè)計算機(jī)（IPC）相連，傳輸介質(zhì)采用六類線。

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

作為IOC 的IPC 內(nèi)安裝研華的PCI-1245運(yùn)動控制卡，該運(yùn)動控制卡內(nèi)嵌高性能DSP與SoftMotion算法［3］，能實現(xiàn)運(yùn)動軌跡與時間精確控制，PCI-1245支持相對與絕對運(yùn)動模式，選擇絕對運(yùn)動模式后PCI-1245可向伺服電機(jī)驅(qū)動器輸出四路差分的CW／CCW 信號指令、伺服開啟信號、驅(qū)動器復(fù)位信號等并接收外部緊急停止信號、驅(qū)動器故障輸出信號等。另外，由于伺服電機(jī)驅(qū)動器采用RS422接口輸出氣閥開度精準(zhǔn)位置，而IPC 內(nèi)置的是RS232 接口，使用了ADAM-4520 模塊完成RS422 到RS232的轉(zhuǎn)換，最終氣閥開度精準(zhǔn)位置被輸入到IPC內(nèi)。

伺服電機(jī)選用的是HF-KP13B，該電機(jī)額定輸出功率為100W，最大轉(zhuǎn)矩為0.95N·m，主軸上安裝了18位的絕對值編碼器（分辨率為262 144 脈 沖／轉(zhuǎn)）［4］；與 之 對 應(yīng) 的 驅(qū) 動 器 是MR-J3-100A，MR-J3-100A 使用最大1 MHz的高速脈沖串對電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度／方向進(jìn)行控制，可執(zhí)行18位分辨率的高精度定位，具備位置平滑功能和精準(zhǔn)位置檢測功能，整個控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 氣閥控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of gas valve control system

1.2 軟件結(jié)構(gòu)

OPI采用跨平臺工具CSS［5］開發(fā)，如圖3所 示。IOC 采 用EPICS base-3.14.12［6-8］與asyn4-21［9］開發(fā)，內(nèi)部運(yùn)行5 個記錄：SL：IS：Valve、SL：IS：Valve：MainGas、SL：IS：Valve：AuxGas、asyn：RS232＿M(jìn)ainGas、asyn：RS232＿AuxGas。其中：記錄asyn：RS232＿M(jìn)ainGas與asyn：RS232＿AuxGas為被動執(zhí)行，其通過異步機(jī)制分別讀取來自IPC 串口RS232的工作氣體與輔助氣體氣閥開度精準(zhǔn)位置原始數(shù)據(jù)（二進(jìn)制數(shù)）；記錄SL：IS：Valve：MainGas與SL：IS：Valve：AuxGas為定時（0.1s）執(zhí)行，主要完成數(shù)據(jù)處理，并分別觸發(fā)asyn：RS232＿M(jìn)ainGas與asyn：RS232＿AuxGas 的被動執(zhí)行；記錄SL：IS：Valve為被動執(zhí)行，其記錄支持通過調(diào)用運(yùn)動控制卡驅(qū)動API函數(shù)控制伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)而完成氣閥開度的調(diào)節(jié)及響應(yīng)來自O(shè)PI的請求。

圖3 CSS開發(fā)的OPIFig.3 Operator interface based on CSS

2 現(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果

圖4 原點(diǎn)設(shè)定結(jié)果Fig.4 Result of origin set

現(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果如圖4、5所示。本文設(shè)計的氣閥控制系統(tǒng)有效支撐了SSC-LINAC 離子源的運(yùn)行，成功實現(xiàn)了氣閥開度的精準(zhǔn)位置獲取，集成在EPICS框架下運(yùn)行穩(wěn)定可靠，原點(diǎn)定位誤差小于0.01°（圖4），控制精度高于0.3°（圖5），響應(yīng)迅速，基于CSS 開發(fā)的OPI操作界面操作簡單有效，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

圖5 給定為8.3°時的結(jié)果Fig.5 Result under output of 8.3°

［1］ TAKAGI M，KAMIKUBOTA N，KIYOMICHI A，et al.Control of the J-PARC slow extraction line based on embedded EPICS［C］∥Proceedings of ICALEPCS2009.［S.l.］：［s.n.］：2009：549-551.

［2］ Power clipper.［2014-04-17］.http：∥www.deltatau-china.com／html／Power／2437.html.

［3］ PCI-1245／1265系列用戶手冊［M］.臺灣：研華科技，2013.

［4］ 三菱伺服放大器&電機(jī)選型手冊［M］.日本：三菱電機(jī)，2013.

［5］ CCS home［OL］.［S.l.］：［s.n.］，2014.http：∥css.desy.de／content／index＿eng.html.

［6］ KRAIMER M R，ANDERSON J B，JOHNSON A N，et al.EPICS application developer's guide［M］.［S.l.］：［s.n.］，2012.

［7］EPICS base release 3.14.12［OL］.［S.l.］：［s.n.］，2014.http：∥www.aps.anl.gov／epics／base／R3-14／12.php.

［8］ STANLEY P，ANDERSON J.EPICS 3-14record reference manual［M／OL］.［S.l.］：［s.n.］，2013.https：∥wiki-ext.aps.anl.gov／epics／index.php／RRM＿3-14

［9］ RIVERS M，KRAIMER M，NORUM E，et al.asyn：An interface between EPICS drivers and device support［M］.［S.l.］：［s.n.］，2014.